CN113390919B - 利用锁相红外成像观察材料物相边界的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种利用锁相红外成像观察材料物相边界的方法，包括如下步骤：首先在存在相区分布的材料两端通正负交变驱动电流，由于帕尔贴效应，在相边界两侧产生与驱动电流同频率的周期性吸放热，产生周期性温度调制和红外辐射，再利用锁相红外无损检测装置捕获与驱动同频率的红外信号，得到热电效应导致的样品近表面的温度分布，从而确定出材料内部相边界的位置。

Description

利用锁相红外成像观察材料物相边界的方法
技术领域
本发明涉及热电效应领域和无损检测领域。具体是利用锁相红外成像观察材料物相边界的方法，利用帕尔贴效应和主动式锁相红外无损检测装置。
背景技术
材料中的缺陷和第二相会严重影响其质量和应用，传统的表征材料内部缺陷和相区分布的手段包括金相显微镜，透射电子显微镜，X射线衍射，腐蚀观察法，红外探伤等等，这些方法大多依赖于材料对光子，电子等的吸收与反射或是化学反应活性，并且对材料的尺寸和表面有严格的限制。其中，传统的主动式锁相红外探伤技术是利用电加热或光诱导的热源对样品进行周期性热驱动，再通过红外相机和锁相系统捕获样品发出的与驱动同频率的热辐射信号，从而根据样品不同区域的热响应观测材料中的缺陷与第二相。而基于帕尔贴效应的锁相红外热成像法，测量的是材料的热电信号而非传统的焦耳热信号，其基本原理是：交变电流通过具有不同物相分布的材料时，由于不同物相的热电系数不同，电流在正反向通过相边界时会产生相反的吸放热效应，即帕尔贴加热制冷效应，因此会导致对应驱动频率的温度调制，从而产生交变的红外辐射信号，利用红外相机捕获材料的热辐射信号，再经过锁相系统处理滤去交变驱动产生的焦耳热信号，得到由于热电系数不同而在相边界处产生的纯热电信号，显示为可见的温度图像，从而最终判读材料内部的相分布。
发明内容
本发明要解决的技术问题是利用热电效应和锁相红外热成像提供一种利用锁相红外成像观察材料物相边界的方法。所述方法为无损，原位，高精度表征材料相边界相分布的新方法。
具体技术方案为：
一种锁相红外热成像装置，包括样品激励电源，红外摄像机，锁相分析系统，计算机显示及控制系统。
利用锁相红外成像观察材料物相边界的方法，包括如下步骤：首先在存在相区分布的材料两端通正负交变驱动电流，由于帕尔贴效应，在相边界两侧产生与驱动电流同频率的周期性吸放热，产生周期性温度调制和红外辐射，再利用锁相红外无损检测装置捕获与驱动同频率的红外信号，得到热电效应导致的样品近表面的温度分布，从而确定出材料内部相边界的位置。
进一步地，所述方法中采用的装置为锁相红外热成像装置，所述装置包括样品激励电源，红外摄像机，锁相分析系统，计算机显示及控制系统。激励电源与样品和锁相系统的参考信号输入端相连，锁相系统的另一输入端与红外相机输出相连，同时整个测量系统与计算机连接进行数据通讯，由计算机控制激励电源，红外相机，锁相系统并完成数据处理，显示最终数据。
进一步地，首先由激励电源产生周期性正负交变而幅值不变的电流穿过样品，会产生不随时间变化的焦耳热红外辐射信号，同时在相边界处存在热电帕尔贴效应，由于电流正反向通过相边界时导致的帕尔贴加热制冷的效果相反，因此在材料的相边界处存在与驱动同频的升降温过程，导致对应的交变红外辐射。
进一步地，在材料的相边界处达到热平衡后，再通过红外摄像机连续捕获一段时间内的红外辐射信号，在锁相信号处理过程中，首先将周期性交变激励信号作为锁相系统的参考信号，对这些红外信号图进行与一个激励周期内相机采样数相对应的离散傅里叶变换，由于傅里叶变换因子在前半周期和后半周期正负相反，因此变换后即滤去了几乎恒定的焦耳热信号，得到相边界处的纯热电效应导致的红外信号图，再进行数学处理最终得到材料表面温度变化分布图，即相边界的分布图。
进一步地，由于锁相红外成像系统空间分辨率，对相区分布的观察能够达到微米量级。
优点和积极效果：
基于帕尔贴效应的锁相红外热成像法相较于传统的相边界表征手段，具有非破坏性，原位测量的优势，同时具有微米量级和毫开尔文级的空间和温度分辨率，相区分辨的检测精度较高。
附图说明
图1是本发明实施例中一种锁相红外相边界检测的结构示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明技术方法进行描述。
图1是本发明实施例中一种锁相红外相边界检测的结构示意图。如图1所示，一种锁相红外热成像装置，包括样品激励电源(Keithley2400方波电流源模式输出，频率1-25Hz)，红外摄像机(曝光频率20-100Hz，测量中需高于激励频率)，锁相分析系统，计算机显示及控制系统。如图1所示：激励电源与样品和锁相系统的参考信号输入端相连，锁相系统的另一输入端与红外相机输出相连，同时整个测量系统与计算机连接进行数据通讯，由计算机控制激励电源，红外相机，锁相系统并完成数据处理，显示最终数据。
一种利用锁相红外成像观察材料物相边界的方法，采用上述装置，首先由激励电源产生周期性正负交变而幅值不变的电流穿过样品，会产生不随时间变化的焦耳热红外辐射信号，同时在相边界处存在热电帕尔贴效应，由于电流正反向通过相边界时导致的帕尔贴加热制冷的效果相反，因此在材料的相边界处存在与驱动同频的升降温过程，导致对应的交变红外辐射，如图1中所示，当电流从左往右通过相区分布为A相B相A相的材料时，电流依次流经AB相边界(从A相到B)和BA相边界(从B到A)，由于帕尔贴效应，将会分别产生加热和制冷效果，反向通电流则分别产生制冷和加热效果。通过红外摄像机连续捕获一段时间内的红外辐射信号(相机捕获频率通常在20-100Hz，须高于激励信号频率)，将捕获的红外信号图传输到锁相系统。锁相系统通常用于处理周期性连续变化的模拟信号，而在此处，对于一段时间内连续曝光的多张红外信号图，计算机控制的锁相系统内部的信号处理方法为：将激励电源输入的周期性交变激励信号作为锁相系统的参考信号对红外相机输入的红外信号图的每一像素对应的信号值分别进行离散傅里叶变换，采样频率和采样数与锁相参考信号频率和相机捕获频率对应，变换的权重因子通常取谐波函数，即正余弦函数，得到一组正交信号，如下式所示：
Figure BDA0003131016230000031
Figure BDA0003131016230000032
其中f1为相机采样频率，单位为Hz；f2为锁相参考信号频率，单位为Hz；F(x,y,i/f1)代表一个激励周期内i/f1时刻捕获的红外图片中二维坐标(x,y)处像素的信号值，单位为毫开尔文。由于傅里叶变换因子在前半周期和后半周期正负相反，因此变换后即滤去了几乎恒定的焦耳热信号，只保留了相边界处产生的交变热电信号。再对正交信号做如下式所示的数学处理：
Figure BDA0003131016230000041
Figure BDA0003131016230000042
其中A为振幅，单位为毫开尔文，Φ为相位，单位为度。最终将每一像素处理后的信号值组合得到材料的锁相红外的振幅和相位信号图，并由电脑显示，振幅图像代表温度调制大小，即吸放热的强度，单位为毫开尔文，相位图像用于判断吸放热，相差90度的区域吸放热效果相反。由于热电系数对材料不同物相敏感的特性以及锁相红外成像系统极高的空间分辨率，基于帕尔贴效应的锁相红外热成像对材料内部相区分布的判读可以达到微米量级。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种利用锁相红外成像观察材料物相边界的方法，其特征在于，包括如下步骤：首先在存在相区分布的材料两端通正负交变驱动电流，由于帕尔贴效应，在相边界两侧产生与驱动电流同频率的周期性吸放热，产生周期性温度调制和红外辐射，再利用锁相红外无损检测装置捕获与驱动同频率的红外信号，得到热电效应导致的样品近表面的温度分布，从而确定出材料内部相边界的位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法中采用的装置为锁相红外热成像装置，所述装置包括样品激励电源，红外摄像机，锁相分析系统，计算机显示及控制系统；激励电源与样品和锁相系统的参考信号输入端相连，锁相系统的另一输入端与红外相机输出相连，同时整个测量系统与计算机连接进行数据通讯，由计算机控制激励电源，红外相机，锁相系统并完成数据处理，显示最终数据。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，首先由激励电源产生周期性正负交变而幅值不变的电流穿过样品，会产生不随时间变化的焦耳热红外辐射信号，同时在相边界处存在热电帕尔贴效应，由于电流正反向通过相边界时导致的帕尔贴加热制冷的效果相反，因此在材料的相边界处存在与驱动同频的升降温过程，导致对应的交变红外辐射。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在材料的相边界处达到热平衡后，再通过红外摄像机连续捕获一段时间内的红外辐射信号，在锁相信号处理过程中，首先将周期性交变激励信号作为锁相系统的参考信号，对这些红外信号图进行与一个激励周期内相机采样数相对应的离散傅里叶变换，由于傅里叶变换因子在前半周期和后半周期正负相反，因此变换后即滤去了几乎恒定的焦耳热信号，得到相边界处的纯热电效应导致的红外信号图，再进行数学处理最终得到材料表面温度变化分布图，即相边界的分布图。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，由于锁相红外成像系统空间分辨率，对相区分布的观察能够达到微米量级。
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